（控制科学与工程专业论文）100nm步进扫描光刻机高精度温度测量技术研究.pdf

摘要 摘要 温度是一个基本的物理量，它是工业生产过程中最普遍、最重要的参数之一。 特别是在光刻机工作环境下，温度稳定是保障整机系统精度的关键条件。而高精度 的温度测量是控制温度稳定的前提。本课题受上海微电子装备有限公司委托，设计 高精度温度测量系统，用于l o o n m 步进扫描光刻机的内部及外部环境温度的测量和 控制。 本文介绍的高精度温度测量系统是高精度测温仪和温度检测元件热敏电 阻器相结合的温度测量系统。文章中分析了影响测量精度的主要误差因素，并提出 了相应的解决方法。高精度测温仪采用抗干扰、性能稳定的电予元件；采用恒流源 比较法测量热敏电阻温度传感器在不同温度下的阻值，避免了恒流源不稳定、电压 偏移等影响。选用高精度的热敏电阻器并对热敏电阻进行了实验室标定：选用合理 的数学模型、科学的数值处理方法等。实际测量表明，使用恰当的热敏电阻器可以 在较窄的范围内( 0 。c 一6 0 。c ) 达到很高的精度。 另外，为了实现从中央控制台对测温过程进行远距离操作、控制以及数据采集 等功能，本课题组为上级计算机进行了控制测温仪表的软件编程，最终实现了上级 计算机亦即控制光刻机整体动作的计算机和高精度测温仪之间的通信。只要在上级 计算机运行相应的软件，即可通过串口通讯，完成设置高精度测温仪各种参数、启 动各种测量模式、获取测量数据等操作。同时，程序还有数据显示和存储等功能。 最后，关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。 关键词：高精度温度测量，光亥0 机，热敏电阻器，数学模型，数值处理 a b s t r a c t a b s t r a c t t e m p e r a t u r e ，a sab a s i cp h y s i c a lq u a n t i t y ，i s o n eo ft h em o s tu n i v e r s a la n d i m p o r t a n tt e c h n i c a lp a r a m e t e r s e s p e c i a l l yu n d e rw o r k i n gc o n d i t i o n so fl i t h o g r a p h y s t a b i l i z a t i o no ft e m p e r a t u r ei so n eo ft h ek e yq u a l i f i c a t i o n st o g u a r a n t e et h ew h o l e s y s t e mr e s o l u t i o n a n dh i g hp r e c i s et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ti st h ep r e c o n d i t i o nt o c o n t r o lt h es t a b i l i z a t i o no f t e m p e r a t u r e t h i st a s k ，c o m m i s s i o n e db ys h a n g h a i e l e c t r o n i c s e q u i p m e n tl i d ，i s t o d e s i g nas y s t e mf o rh i g hp r e c i s et e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t t h i ss y s t e mw i l lb eu s e dt om e a s u r ea n dc o n t r o lt h ee n v i r o n m e n t a l t e m p e r a t u r e o fl o o n m s t e p s c a nl i t h o g r a p h y t h e s y s t e mf o rh i g hp r e c i s et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ti n t r o d u c e di nt h i sp a p e ri s c o m p o s e d o ft h es u p e r - t h e r m o m e t e ra n dt h e r m i s t o r s m o s to f l e n d i n g e r r o rf a c t o r sa r e a n a l y z e d ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n sa r ea d v a n c e d a n t i i n t e r f e r i n ga n ds t a b l e e l e c t r i c a lc o m p o n e n t sa r ea d o p t e d r a t i om e a s u r e m e n t s u p p o r t e db y c u r r e n ts o u r c ei s u s e dt om e a s u r et h et h e r m i s t o rr e s i s t a n c e u s i n gt h i sa p p r o a c h ，e r r o r sf r o m d r i v i n g c u r r e n t i m p r e c i s i o na n dv o l t a g eo f f s e t s a r ea v o i d e d h i g hp r e c i s et h e r m i s t o r sa r e s e l e c t e dt ou s e ，a n dt h e ya r ec a l i b r a t e db e f o r eu s i n g i ti si n d i c a t e dt h a th i g h p r e c i s i o n i nan a r r o w r a g e o f t e m p e r a t u r e ( 0 。c 一6 0 。c ) c a n b ea c h i e v e d b yu s i n g f i t t h e r m i s t o r s i no r d e rt oo p e r a t ea n dc o n t r o lt h ec o u r s eo f t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ti nal o n g d i s t a n c e ，t h eu p p e rc o m p u t e ri sp r o g r a m m e d t h u s ，t h eu p p e rc o m p u t e ra n dt h e s u p e r 。t h e r m o m e t e rc a nc o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e r a l lp a r a m e t e r sa r ea b l et ob e s e tf r o mt h eu p p e rc o m p u t e r a n dd a t af r o mt h e r m o m e t e r c a nb er e c e i v e d ，d i s p l a y e d ， a n ds a v e d f i n a l l y , t h ep r o b l e m sr e q u i r i n gf u r t h e rs t u d i e sa r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：h i g hp r e c i s e t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，l i t h o g r a p h y ，t h e r m i s t o r ， m a t h e m a t i c a lm o d e l ，n u m e r i c a la n a l y s i s l i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：孑，目i ；日 吱d 屿年弓月乒日 经指导教师同意，奉学位论义属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：肄罚 学位论文作者签名：于确萌 舢哆珲) 月；日姗 年；月￥日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导帅指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 于丽两 她年；月 第1 章引言 1 1 概述 第1 章引言 温度是表征物体冷热程度的物理量，它与人类生活关系密切，在工业自动 化、家用电器、环境保护、汽车工业、国防和科研等领域中都是基本的检测参 数之一。尤其是在当今的许多工业领域都需要对温度进行高精度的测量和控制。 因此，温度的高精度测量一直是一个重要的研究课题。 1 2 光刻机的应用背景 在经济全球化、信息化的今天，集成电路( 1 c ) 产业无疑是影响国家经济、 政治和国防安全的战略必争产业。在i c 产业中，i c 装备有着及其重要的战略地 位。 近年来，在国家大力发展信息产业方针的引导下，中国微电子产业进入了 蓬勃发展的新时期，我国l c 产业的崛起已成定势。“十五”期间，i c 产业是国 家重点发展的战略产业，i c 设备是其中的重要环节。在众多的i c 设备中，光刻 机是非常重要的关键性设备。综观国际集成电路产业的发展，光刻技术为集成 电路飞速发展提供了极为关键的支持作用。光刻技术就是利用光学复制的方法 把超小图样刻印到半导体薄片上来制作复杂电路的技术。每一代集成电路的出 现，总是以光刻所获得的线宽为主要技术标志。光刻技术的发展从三个方面为 集成电路技术进步提供了保证：其一，大面积均匀曝光，在同一块硅片上集成 大量器件和芯片，保证了批量化的生产水平：其二，图形线宽不断缩小，集成 度不断提高，生产成本可以持续下降；其三，由于线宽的缩小，器件的运行速 度越来越快，集成电路的性能不断提高。 光刻机主要分为步进扫描光刻机和接触接近式光刻机，其中步进扫描光 刻机是超大规模集成电路和a s i c ( 特定用途集成电路) 专用电路研究开发和生 产的关键工艺设备。步进扫描光刻机是集现代光、机、电、计算机为一体的高 技术产品，其技术复杂、系统性强，涉及关键因素和参数较多，难度很大，但 由于其在i c 产业中的战略性作用，仍是国际上开发和发展的重点。1 0 0 n m 步进 第1 章引言 扫描光刻机是国家“十五”重点科技专项。图1 1 和图1 2 分别是n i k o n 公司 的n s r s 3 0 6 c 型l o o n m 步进扫描光刻机的外形和内部构造图。 图1 1l o o n m 步进扫描光刻机外形 图1 2l o o n m 步进扫描光刻机的内部构造 在光刻机工作过程中，影响整机系统精度的关键参数归纳起来主要有以一f 几个方面：( 1 ) 投影镜头分辨率；( 2 ) 照明均匀性；( 3 ) 工作台步进精度：( 4 ) 套刻精 第1 章引言 度；f 5 1 镜头畸变。其中温度是影响投影镜头分辨率和镜头畸变的重要参数。1 0 0 n m 步进扫描光刻机其最细的光刻线宽可达到0 1um ( 相当于人头发丝的百分之 一) ，要保证这样的线宽，除了严格控制工艺条件外，还要有严格的环境保证。 因为在光刻机工作过程中，环境温度、气压、湿度的变化，机械结构的热漂移 以及随着曝光时间的连续、镜头吸热而产生的镜头畸变等因素的影响，会使物 镜的倍率产生变化、焦点漂移而直接影响到线宽的变化。温度变化能使光学透 镜和金属零件膨胀收缩，从而改变物镜中各透镜的几何尺寸，如厚度、直径、 曲面半径以及光学透镜的间隔距离等。温度气压的变化还会引起光学材料折射 率, ，和空气折射率n ，的变化： 砰。1 + 盖；善警訾 nl ， 拿 n 2 1 + + b a 4 + c r 地- 1 1 2 6 8 3 p bj r 。x 1 0 。6 ( 1 2 ) 式中为原子分子数，h 为普朗克常数，e 。为能级能量，k 为玻尔兹曼恒量， r 为温度，n k 为原予分子本征频率，d 。为偶距的矩阵元素，为入射光频率， a 为光波长，只为空气压力，只为水蒸气压力，a 、b 、c 为精度相关系数“1 。 根据计算模拟分析和实际环境变化测定，温度升降将引起物镜焦面的向微 米级以上漂移、倍率变化、畸变等，影响成像质量，这是不允许的。合理的温 度范围、准确的温度测量和控制对保证步进扫描投影光刻机关键的三项技术指 标( 光刻分辨力、套刻精度和产量) 均有积极作用。 为了保证光刻机物镜质量的长期稳定性，任务要求控温指标达到2 2 c 0 0 1 的水平。与此相适应，就要求高精度的温度测量。具体来说，在2 2 。o 附 近，温度测量的不确定度要达到0 0 0 3 c 左右才能满足要求。这个要求很高，通 常只能在实验室内才能达到，而项目要求必须在光刻机内部完成。显然，在这 种高精度温度测量中，对传感器和仪表都有特殊要求。 第1 章引言 1 3 温度测量的发展现状 1 3 1 温标的发展 温标是温度测量中的参照标准，温度测量离不开温标的概念。为了阐明高 精度测温的原理和方法，对国际实用温标作简要介绍。 国际实用温标是一个国际协议性温标，它与热力学温标相接近，而且复现 精度高，使用方便。1 9 9 0 年国际温标( i t s 一9 0 ) 是国际计量委员会根据1 9 8 7 年 第1 8 届国际计量大会第7 号决议的要求，于1 9 8 9 年会议通过的，用于替代 i p t s 一6 8 。 i t s - 9 0 定义了1 4 个固定点，其中包括6 个三相点、7 个凝固点、1 个熔点。 按照n s 一9 0 规定的方法实现这些固定点，可获得非常准确的温度值。在这些固 定点中，水的三相点是热力学温标的唯一基准点，也是i t s 一9 0 重要的定义固定 点，其定义值为o 0 1 ，这也是最准确的温度点。例如，美国n i s t 的水三相点 的温度复现性已达到0 0 0 0 1 。 这些固定点温度的精度构成了测温仪表所能达到的精度极限，即任何测温 仪表均不可能超越这些精度极限。由此也可看出，本项目所要达到的精度指标 是非常高的。 1 3 2 测温仪表常用的物理效应 温度测量的过程就是通过温度传感器将被测对象的温度值转换成电的或其 他形式的信号，传递给信号处理电路进行信号处理，转换成温度值显示出来。 温度传感器随着温度变化而引起变化的物理参数有：膨胀、热电动势、光学特 性、电阻、电容、磁性能、频率及热噪声等等。随着国内外工业的日益发展， 温度检测技术也有了不断的进步，大致包括以下几种方法： 1 热胀冷缩原理测温技术。利用此技术制成的温度计大致分成三大类：玻璃 温度计、双金属温度计、压力式温度计。 2 热电效应测温技术。利用此技术制成的温度检测元件主要是热电偶。 3 辐射测温技术。主要包括利用红外辐射、荧光和激光辐射等原理的传感 器。 4 第1 章引言 4 热阻效应测温技术。用此技术制成的温度计大致可分成以下几种：金属 导体测温元件、热电阻、热敏电阻。 1 4 国内外温度检测技术的动向与趋势 随着工业生产效率的不断提高，自动化水平与范围也不断扩大，因而对温 度检测技术的要求也愈来愈高，一般可以归纳为以下几方面： 1 扩展检测范围。现在工业上通用的温度检测范围为一2 0 0 3 0 0 0 ，而今 后向能测量超高温与超低温的方向发展。 2 扩大测温对象。重点是测量快速变化的温度和在极端、特殊条件下的温 度。 3 发展新型产品。加强新原理、新材料、新工艺的开发。例如光纤、荧光 质，或两者组合应用的新型传感器等。 4 提高测量精度。要实现高精度温度测量，必须提高测温元件的分辨率、 响应速度、稳定性以及可靠性；减d n 量误差，修正系统测量误差和随机测量 误差等；同时，数据处理和测量也是密不可分的。数据处理不仅用于获得测量 值，也用来提高传感器的性能。 可以认为：测温技术的迅速发展依赖于加工技术、新的测温材料以及信号 和数据处理技术的发展。 1 5 课题来源及本文主要内容 本课题是受上海微电子装备有限公司的委托而研发的，其主要出发点是和 该公司正在研制的1 0 0 n m 步进扫描光刻机配套，设计一种连续检测光刻机内部工 作温度( 2 2 c 左右) 和环境温度的仪器。但考虑到实际使用，测温范围并不局 限于2 2 左右，而是在1 0 4 0 范围内。 本文主要介绍了高精度温度测量系统的实现，包括测温仪的电阻测量技术 及电路的设计思想、测温传感器模型的建立及标定、系统误差分析与实验数据 的不确定度分析、上位机软件设计等。第l 章介绍了光刻机的应用背景，研究了 温度检测的现状和未来发展趋势。第2 章主要介绍t n t c 热敏电阻器的特性，说 明了热敏电阻器实际输出电压和温度之问的关系。同时介绍了热敏电阻器的标 第1 章引言 定。第3 章主要介绍了高精度电阻测温仪的测温原理和性能分析。第4 章主要介 绍了上位机的软件设计，实现了上位机对测温仪的远程控制。第5 章介绍了n t c 热敏电阻温度传感器数学模型的建立。第6 章介绍了误差与测量不确定度的分 析，验证了系统的功能。第7 章介绍了本仪器的优点及不足，并对未来的发展提 出了展望。 第2 章温度传感器 。_ _ 。，_ _ 。_ _ _ _ 。_ _ _ _ 。_ _ _ - _ 、。_ 。_ _ - 。 第2 章温度传感器 2 1 常见的温度传感器 温度传感器是对温度敏感具有可重复性和规律性的一种传感器。从总体来 说，虽然温度传感器的种类很多，但是由于温度分布范围极宽，加上被测对象 的繁杂多样，所以至今没有种传感器能够覆盖整个温度范围而又能满足一定 的测量精度，只能根据不同的温度范围和不同的被测对象，适当地选择不同的 传感器。不同类型的温度传感器是根据各种材料随温度变化而改变某种特性来 间接测量温度的，即不同类型的温度传感器具有不同的工作机理。常用的测温 传感器的种类、机理和铡温范围如表2 1 所示。 表2 1 测温传感器类型、机理和测温范围 种类机理测温范围( )特性 i金属热电阻 5 0 + 1 5 0高精度，价格高 铜电阻 一2 0 0 + 6 0 0滞后时间长 铂电阻 热阻变化 - 2 0 0 0 灵敏度高，价格最低 热敏电阻 5 0 + 3 0 滞后时间短，有自热问题 o + 7 0 0 一2 0 0 8 0 0 测温范同宽，测温精度低， 热电偶热电效应 1 0 0 1 9 0 0需基准接点和冷端补偿 l 石英晶体振荡器压电效应 一1 0 0 + 2 0 0 精度很高 热辐射计热辐射+ 1 0 0 + 2 0 0 0似接触高温测量 第2 章温度传感器 2 2 温度传感器的选择 作为测温的一次仪表，对它的选择将直接影响测量的结果。如果误选传感 器，就会降低系统的可靠性。为此，要从系统总体考虑，明确使用的目的以及 采用传感器的必要性。测量的条件还包括：测量的范围，要求的精度，测量所 需要的时间等。选用传感器时，要考虑传感器的下述性能，即精度，稳定性， 响应速度，输出量及电平，校准周期等。 本项目要求的测温范围是1 0 4 0 ，精度要求1 0 m k ( 3o ) ，循环多路 检测要求转换时间短。参照表2 1 ，适用的测温传感器有以下多种： 1 标准铂电阻温度计。年漂移率为0 0 0 1 ，尺寸小，相应响应快，常用于 复现温度点。但是一般是石英玻璃封装，杆长达0 5 米左右，耐震性不好，易碎； 价格也相当昂贵。这种温度计只适合在实验室内使用，并不适合安装在光刻机 上进行现场测量。 2 1 1 0 b 级四线制铂电阻温度传感器。这些传感器多半是厚膜或薄膜工艺制 作的。体积小、响应快、不怕震动、价格低廉，是一种可选择的方案。但是， 厂家往往并不提供长期稳定性指标。此外，这种传感器温度系数低，对信号调 理电路有很高的要求。 3 石英传感器。它具有抗干扰性强、分辨率高等特点。但由于要准确计数， 响应时间较慢。但目前各厂家的相关产品不但价格昂贵，主要缺陷是体积过大， 不满足本项目的安装要求。 4 热电偶。价格便宜、牢固、小巧，测温范围宽。但是精度较差，远远不 可能达到1 0 m k 精度要求。 5 负温度系数热敏电阻器。其优点除了体积小、响应快、不怕震动、价格 相对低廉外，还体现在阻值高、随温度变化的斜率大，相应输出大，对导线及 放大器的要求低。缺点是适用温度范围窄( 通常不超过2 0 0 。c ) ，非线性强烈， 可替换性差。而且往往长期稳定性较差。所以传统上很少用于高精度温度测量。 但实际上，热敏电阻的不稳定性仅仅出现在使用初期，随着时间推移，将越来 越稳定。基于这一特点，只要对其进行人工老化及温度循环试验，就可生产出 高稳定性的热敏电阻。国内厂家目前尚缺少这一环节，但国外已有厂家按上述 原理生产出年漂移小于o 0 0 0 2 。c 的传感器。至于可替换性差，由于光刻机工 作的具体温度范围很窄，且每只传感器都单独标定，t 述缺点无关紧要。 一 笙! 至塑壁堡壁墨 _ _ 一一 基于上述考虑，选择国外某种负温度系数热敏电阻器作为高精度检测系统 的一次仪表。 2 3 热敏电阻器 热敏电阻是一种用半导体材料制成的敏感元件，其阻值温度特性如图2 1 所 示。按阻值温度特性分为负温度系数( n t c ) 热敏电阻和正温度系数( r r c ) 热敏 电阻。 图2 1 热敏电阻器的电阻温度特性 p t c 热敏电阻由于其温度范围窄、离散性极大，目前并不用于测温场合。 一般所说的热敏电阻均指n t c 热敏电阻。 2 3 1 n t c 热敏电阻器 n t c 型热敏电阻器是一种电阻值按指数规律随温度升高而降低的热敏电阻 器，其大多数都是由负温度系数很大的锰、铅、铁、镍或铜等金属氧化物作为 主要部分混合烧结而成。 近年来n t c 型热敏电阻器得到了广泛的应用。这是因为：( 1 ) 它可以精密而 连续地控制温度，适合于远距离测量和控制；( 2 ) 它的结构紧凑，灵敏度和分辨 率高。例如有的n t c 热敏电阻可以捕捉千分之一度的微小温度变化：( 3 1 它容易 与集成电路和微处理机接口；( 4 ) 适于大批量生产，造价低：( 5 ) 可以满足日常生 9 第2 章温度传感器 活温度计量范围。 2 3 2n t c 热敏电阻的特性 1 n t c 热敏电阻的r r 特性 n t c 热敏电阻具有很高的负温度系数，特别适用于一1 0 0 3 0 0 。c 之闽的温度 测量。对热敏电阻的物理和数学模型结构进行分析，获得一个在实际应用中可 靠性和效率较高的数学模型，能有效提高使用精度，并可以简化使用前的标定 过程。 图2 2 显示了n t c 热敏电阻和p t l o o ( 虚线表示) 的电阻一温度特性曲线，以 作对比。通过图中曲线对比可以很清楚的发现：相同的温度变化值所对应的热 敏电阻的阻值变化要比n l o o 的阻值变化大的多，所以热敏电阻的灵敏度较高。 喜 i t 嚣 罡 卸0 1 5 0 1 0 0 - 6 00 5 01 0 01 5 02 0 0 2 5 03 0 0 3 5 。4 。时n 哪u r 。c 。c l 图2 2m r c 热敏电阻的电阻，温度特性曲线 2 热电特性 热敏电阻在其自身温度变化l 时，电阻值的相对变化量称为热敏电阻的温 度系数a ，可表示为 或者 其中b 是热敏电阻的材料常数。 口：l _ d r 兰 r ，d t b r 。 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 第2 章韫度传感器 由公式( 2 2 ) , - i 矢h ：( 1 ) 热敏电阻的温度系数为负值；( 2 ) 温度减小，温度系 数a 增大，所以低温时热敏电阻温度系数大，一般比金属热电阻丝高很多，所 以它的灵敏度很高。 3 伏安特性u 一，( j ) 在稳定工作状态下，通过热敏电阻的电流j 与其两端之问电压【，的关系，称 为热敏电阻的伏安特性，如图2 3 所示。 图2 3 热敏电阻伏安特性 由图2 3 中曲线可知：当流过热敏电阻的电流很小时，伏安特性是直线，遵 循欧姆定律。当电流增大到一定数值时，流过热敏电阻的电流使之加热，本身 温度升高，出现负阻特性，因电阻减小，即使电流增大，端电压反而下降，其 所能升高的温度与环境条件( 周围介质温度及散热条件) 有关。当电流和周围 介质温度一定时，热敏电阻的阻值取决于介质的流速、流量、密度等散热条件。 因此在测温中工作电流不能选得太高。 综上，本项目选用了国外厂商的负温度系数热敏电阻作为一次仪表，其测 温范围为0 6 0 ，短期准确度为l i n k ，长期( 年) 稳定度为2 m k 。这些指标 是完全相应于“计量标准”的精度，所以它也被称为“标准热敏电阻”。不过在 项目中并不将其作为标准，而是作为高精度温度传感器使用。 第2 章温度传感器 2 4 传感器的标定 任何一个高精度测温系统，都离不开高精度的标定。因为再好的传感器本 身仅提供了测温的稳定性，而其输出究竟对应多少温度，必须由标定过程来决 定。而且，传感器在制造、装配完毕后都必须对原设计指标进行一系列试验， 以确定传感器的实际性能。 传感器的标定，就是利用精度高一级别的标准计量器具对传感器进行定标 和分度的过程，从而确立其输入量与输出量之间的对应关系。同时，也确定出 不同使用条件下的误差关系。 传感器的标定大致可以分下述几个方面：其一是新研制的传感器需进行全 面技术性能的检定，用检定数据进行量值传递，同时检定数据也是改进传感器 电路设计的重要依据；其二是经过一段时间储存或使用后对传感器的复测工作。 这种再次标定可以检测传感器的基本性能是否发生变化，判断其是否可继续使 用。对可继续使用的传感器，若某些指标( 如灵敏度) 发生了变化，应通过再 次标定，对原数据进行修正。 由于各种传感器的结构原理不同，所以标定方法也不相同，本节主要讲述 热敏电阻温度传感器的标定。标定工作在华东电力研究院温度计量实验室完成， 由于国内目前没有高精度热敏电阻的检定规程，所以参照采用了j j g1 6 0 9 2 标 准铂电阻温度计检定规程。 2 4 1 标定的基本原理 热敏电阻器是根据电阻值随温度变化的原理来测量温度的，电阻值r 与温 度丁之间存在一定的函数关系： r = ，仃)( 2 3 ) 并且关系式是非线性函数。在不同的温度条件下，测得传感器相应的电阻值， 根据公式( 2 3 ) 即可标定r r 曲线。 2 4 2 标定系统的组成 标定系统由一等标准铂电阻温度计( 型号为w z p b i ) 、水三相点瓶、恒温 第2 章温度传感器 油槽等组成。阻值指示仪表采用了h a r t 公司的1 5 9 0 电阻测温仪，其电阻测量精 确度优于1 p p m 。 2 4 3 标定方法 标定的方法由被标定的传感器等级、类型而定，通常有定点法和比较法。 图2 4 显示了温度传感器的分级标定系统，图中上层为计量基准器具，中层为 计量标准器具，下层为工作计量器具。满足项目要求的热敏电阻温度传感器的 精度等级相当于图2 4 中的二等标准铂电阻温度计。 i 定点法 定点法是根据国际温标定义，用若干固定点对传感器进行标定。1 1 r s 。9 0 规 定的固定点共有两类，即金属凝固点( 或熔点) 和三相点。固定温度点由专门 的金属凝固点高温炉和三相点瓶生成。 利用定点法标定传感器虽然能获得较高精度，但是，这种方法必须根据国 际温标要求，使用若干特别的密封容器，实验过程操作复杂、时问长、代价高， 第2 章温度传感器 有一定难度。此种方法通常用于国家级标准温度计的标定。 2 比较法 比较法是利用精度级别高的标准电阻温度计标定精度级别低的传感器。标 定过程中，标准温度计的感温元件与被检传感器的感温元件处于同一均匀温场 内通过逐点比较实现检定目的。 高精度热敏电阻的标定，是将热敏电阻和一等标准铂电阻温度计的感温元 件插在恒温油槽同一水平面的均匀温场内。为了同光刻机工作温度相适应，温 度点设定为2 5 。c ，3 0 。c ，3 2 。c ，3 7 。c ，6 0 。c 。当恒温油槽内温度达到检定点，并 处于稳定时，通过测量仪表对标准和被检热敏电阻的电阻值按一定程序进行交 替测定，然后根据标定规程提供的结果处理方法进行计算。由于恒温槽上自带 的测温和控温传感器精度有限，因此不能将恒温槽设定和显示的温度值作为实 际温度的约定真值，而应取一等标准铂电阻的温度示值作为约定真值。鉴于精 密恒温槽的温度在某个标定时间段内不可避免有一定程度的波动，而一等标准 铂电阻自身也有一定的不确定度，所以在每个温度点上取该铂电阻3 0 0 次温度 读数的平均值作为当时恒温槽温度的约定真值。 为了提高标定的精度，在采用比较法标定的同时，配合采用了定点法，即 增加了水三相点珈0 1 。c 的温度固定点。在这一温度点上，铂电阻的读数仅 仅起到考察它自身不确定度的作用，并不作为标准温度值。 具体标定步骤如下： l _ 转换开关切换到标准铂电阻，通过测量仪表测得标准铂电阻的电阻值， 根据转换公式求得此时的温度值。 2 转换开关切换到被测热敏电阻，测得在该温度点的电阻值。 3 重复步骤1 、2 ，可得到在固定温度点下被测热敏电阻的电阻值。 改变温度条件，重复步骤1 - - 3 ，获得多点数据，通过计算即可得到r r 关 系式。 2 4 4 温度点的生成 1 水三相点的生成 水三相点温度由1 9 9 0 国际温标定义，是指在一个压力为6 1 0 6 1 5 p a 的密封 容器内，冰、水和饱和蒸汽三相之问的平衡温度，其定义值为+ 0 o l ( 2 7 3 1 6 k ) ， 1 4 第2 章温度传感器 水的一种相平衡图见图2 5 。由于水三相点不受大气压的影响，所以温度形成后 能在很长时间内保持变化不大于0 1 i n k 。 p 图2 5 水的一种相平衡图 2 其他温度点的生成 2 5 。c ，3 0 。c ，3 2 。c ，3 7 0 c ，6 0 。c 这五个温度点是由恒温油槽产生的。恒温槽 的工作原理图如图2 6 所示。按工作介质在槽中流动过程来说明恒温槽的工作 原理：在搅拌器4 推动下，工作介质在混合区2 内自上而下流动，先经盘管蒸 发器l 和加热器3 进行热交换，使流动介质达到某一合适温度后，由搅拌器进 行强烈搅动，使温度不甚均匀的介质充分混合，进而推动介质从底部流出，再 倒流向上进入工作区6 ，并使介质具有一定的流速。在流经工作区过程中，要求 介质尽量减少与外界的热交换，这样才能保证工作区介质温度均匀，并为高质 量温度控制创造良好的条件。此后，介质再流进混合区，依次作重复的循环流 动。温控系统的铂电阻感温元件5 置于流体中，用于测量温度信号，控温系统 根据感温元件所测得的温度变化，调节输出脉冲信号，最后驱动双向可控硅推 动加热器加热，实现控制槽温在设定温度下工作。 c名一 水 n 一代7 百 ，“l 第2 章温度传感器 2 4 5 标定结果 图2 ，6 恒温槽的工作原理 标定过程中，测量了0 0 1 。c 、2 5 。c 、3 0 。c 、3 2 。c 、3 7 。c 和6 0 。c 共6 个不同 温度点，温度点的真值由标准铂电阻测得( o 0 1 。c 除外) 。对被测的单只热敏电 阻，在每个温度点进行3 0 0 次测量。对温度值和电阻值的测量数据都通过多次 测量取平均值的方法消除随机误差，所得实验室数据如表2 2 所示。 表2 2 实验室测量数据 温度( )电流( u a ) 实验室测得电阻值( q ) o 0 l 5 1 1 2 5 3 5 3 7 2 5 2 5 0l o 3 9 8 7 4 8 3 5 3 0 01 0 3 2 9 7 6 7 7 2 5 2 3 2 o1 0 3 0 6 0 8 2 0 2 6 8 f3 7 0 1 0 2 5 5 0 31 0 7 0 5 6 0 01 0 l i 7 2 2 5 7 7 7 l 根据实验结果进行计算( 具体计算过程见第5 章) ，获得的r t 关系式满 足温度测量的精度要求。 一笙! 兰堕堕堡塑壅型量墨竺 第3 章高精度温度测量系统 3 1 系统总体设计 高精度温度测量系统总体框图如图3 i 所示 图3 1 温度测量系统示意图 整个测温系统除了温度传感器外，主要由扫描开关、高精度电阻测温仪和工 控计算机组成。测温仪向传感器提供恒流激励，在电阻温度传感器两端形成压 降，此电压信号经过a d 转换器后作为测温仪的输入。当传感器所处的环境温 度发生变化时，传感器的阻值将发生变化，从而引起传感器两端压降的变化。 测温仪通过测得的电压值，换算得到温度值。扫描开关是一个l o 通道扫描器， 用于通道的扩展。它允许最多1 0 个传感器同时连接到测温仪，一次最多可在测 温仪上连接5 个扫描开关，这样一台测温仪可连接多达5 0 个传感器。工控计算 机上运行程序可远程控制测温过程，实时读取测量数据，并进行温度控制过程 必要的操作。 f 面主要介绍高精度电阻测温仪的工作原理。 第3 章高精度温度测量系统 3 2 高精度电阻测温仪 由于采用了多种技术措施，高精度电阻测温仪在进行电阻测量时可获得 l p p m 准确度。就温度而言，对于在0 c 时的s p r t ，l p p m 相当于0 0 0 0 2 5 。 当使用标准热敏电阻时，测温仪的测量准确度可以达到0 0 0 0 1 2 5 c 。由于具有 0 至5 0 0 k q 的宽输入范围，测温仪可以使用任何电阻型温度传感器，包括r t d 、 s p r t 和热敏电阻。可以对激励电流进行编程以更好地适应不同阻值的传感器。 可以使用任一种算法自动执行电阻至温度的换算，这些算法包括：1 9 9 0 国际温 标( i t s 一9 0 ) 、i p t s 一6 8 、和多项式方程等。 高精度电阻测温仪可以通过各种接口与计算机进行通信。仪器具有内置的 r s 一2 3 2 、i e e e 一4 8 8 和并行打印机接口等。 3 2 1 电阻测量技术 利用热敏电阻器测量温度，最终归结为测量热敏电阻的阻值，因此有必要 就高精度电阻测量作一讨论。 3 2 1 1 传统的电阻测量技术 1 单臂电桥法 单臂电桥法是最简单的电阻测量方法，电桥中的一桥臂为电阻式传感器。 此种方法的优点是当电桥完全平衡时，与电流具体数值无关。但是连接导线电 阻和开关接触电阻以及桥臂电阻对测量结果的影响都会很大，尤其对小电阻影 响极大。电路如图3 2 所示。 图32 单臂电桥测量法 图3 3 三线制测始法 电桥的输出电压为： 第3 章高精度温度测最系统 y ：e 墨z 墨! 二墨墨2 ( 3 1 ) ( r 2 + r ，) ( 马+ r 1 ) 根据电桥知识可知，当r 。一r ：- r ：一r 时( r 。为热敏电阻的电阻值) ，测量精度 电桥平衡时y ；0 ，r 。r ：；墨r 。只要知道r 。，r ：，墨的阻值，就可求出未知 电阻r 。如电桥无法平衡，则需要通过其它计算方法求解r ，且此方法与供电 电压e 有关。 上述方法中热敏电阻采用两线制接法，两线制接法是最简单的测量方法， 引线误差最大。实际测量中为消除导线电阻的影响，可采用三线制或四线制接 2 三线制电桥法 三线制接线方法是一种较实用的方法。其原理图如图3 3 ，图中 ，吃，r 3 分别 为热敏电阻的三根连线的电阻，因为引线通常采用的是同种材料、同等长度， 所以，1 一r 2 - 一r 。这种方法采用电压或电流供电，电桥输出接入放大器，以 电压供电为例说明。图中r 。，r ：是阻值相同的固定电阻器，r ，是用于平衡电桥的 可变电阻器。电桥的输出为： 酗磊i 驻r , - 丽r 3 ( 3 2 ) 若省略上式分母中包含引线电阻的后4 项则得： 小i 篙巫 。， 月1 + 月2 + r 3 + = r 三1 1 对应求出的电阻为： 耻鬻 4 ) 第3 章高精度温度测量系统 此方法虽然提高了测量精度，但是并没有从根本上消除引线电阻的影响。 另外，使用电桥测量电阻时，测量精度还受到电桥灵敏度、桥臂元件精度等级 和电桥精度等级等的影响。更好的方法是采用四线制、低阻供电、高阻测量， 可进一步减小引线电阻的影响。 3 2 1 ，2 恒流源比较法 工业现场更为可行的高精度测量方法并不是电桥法，而是比较法。即在仪 器内部预先配置一个已知阻值的精密电阻，以其作为参考标准。测湿仪交替向 参考电阻和外接传感器供以同一电流，然后测温仪通过比较被施加相等电流的 两个电阻之间的电压来测得它们之间的电阻比，再经过计算得到外接电阻的阻 值。图3 4 中的简单示意图给出了该测量电路的基本部分。它们包括恒流源、 传感器、参考电阻、继电器开关、放大器、模数转换器( a d c ) 等。内置参考 电阻和传感器串联连接，电流同时流过。电流在每个电阻上各产生一个电压， 分别与其电阻值成正比。电压值通过放大器和a d c 进行测量。因为次只能测 量其中一个电压，必须使用继电器来进行切换。 电 流 源 图3 4 基本测量电路 对每个电阻上的电压测量两次，两次测量中电流的方向相反。由于这两个 电压测量值是恒定的，因此将它们相减就可以消除偏移电压( 包括由热电动势 而产生的偏移电压) 。总之，一次电阻比测量需要四个电压样值： 1 传感器，正向电流( ，) 2 传感器，反向电流( ：) 第3 章高精度温度测量系统 3 参考电阻，正向电流( 。) 4 参考电阻，反向电流( k ，) 将这些电压样值相减并相除而得到传感器电阻与参考电阻的比值： r ：生! 二坠! ；生( 3 5 ) 。一： 采取这样的措施后，不必知道恒流电流的具体数值，因为它并不出现在具 体计算中。也不要求恒流源电流具有长期稳定性，而只要求该电流在继电器切 换阶段并未改变即可。一次测量不过是一秒钟的量级，要求恒流源电流在如此 之短的时间内不改变其幅值是很容易达到的。 通过这一方法，还可在一定程度上避免由放大器和a d 转换器的波动或不 准确造成的误差，因为这些误差是同时作用于外置电阻和内置参考电阻的。 下面的图3 5 指示出这种工作顺序。 同一温度点同一汝 测量过程中的历史 记录 ，r 2 ，r l r - l 3 2 2 性能分析 数字滤、瘐 ( 以平滑为饲) 1 v ”而善1 外按传感器 电阻阻值 如= 如r 图3 5 测量处理操作 不确定度逼近0 0 0 1 或更佳的温度测量堪称是一项重要的挑战。电阻温度 测量中所固有的各种误差源使获得这种准确度变得非常困难。工业现场复杂多 变，测量环境温度的变化以及测量仪表位于工业流程中的各种长引线等，都会 影响测量精度的实现。问题也可从热电动势、电抗和泄漏等来源产生。电阻测 温仪可以达到这样的准确度，因为这些误差效果已经得到仔细的研究和处理。 第3 章高精度温度测量系统 仪器的设计可减少或消除常常困扰电阻和温度测量的多数误差。 1 恒流源的稳定性 考虑到工业现场的实际情况，采用恒流源为热敏电阻提供电流。对理想的 恒流源而言，当其两端的电压和环境温度在一定范围内发生变化时，线路上的 电流应该是不变的。但是，从严格意义上来讲，这种不变是相对的。恒流源存 在一定的温度漂移，当温度变化时电流大小有一定的波动，测温仪表的采样数 据不能正确反映热敏电阻的温度变化。这对于高精度温度测量来说是不能忽略 的干扰因素。 为了消除激励电流波动的影响，测温仪并不直接依赖于对测温电阻两端电 压的测量准确度，而是在仪器内部装入了预先标定过的、准确知道其阻值的参 考电阻。将外置电阻( 测温电阻传感器) 和内置参考电阻串联在一起供以同一 电流，通过继电器切换分别测出各电阻两端的电压降。然后比较这两个电压值 得到比值，由于供电电流是一样的，这一比值也就是外置电阻和内置参考电阻 的比值。通过将内置参考电阻乘上这一比值就得到外置电阻的阻值，即 r = 孚，咏寺一r = 凡毒 ( 3 6 ) 其中下标x 表示外置待测，下标r 表示内置参考。 采取这样的措施后，不必知道恒流电流的具体数值，因为它并不出现在具 体计算中。也不要求恒流电流具有长期稳定性，而只要求该电流在继电器切换 阶段并未改变即可。一次测量不过是一秒钟的量级，要求恒流电流在如此之短 的时间内不改变其幅值是很容易达到的。 2 运算放大器和a 巾转换器的性能 运算放大器由于工艺上的某些缺陷会产生一些噪声，同时有一定的温度漂 移。对此除了使用性能良好的运算放大器以外，还增加了校正电路。 a d 转换器带来一定的精度误差。由于量化的关系，a d 转换器输出的数字 量的最小一位( l s b ) 是不可靠的，即可能有船的误差。在n 位的a d c 中 2 1 l s b = 二旦 ( 3 7 ) 2 1 其中昨。是a d c 的满量程。 a d 转换器的量化误差主要是由于它的有限分辨率也就是它的位数造成的， 第3 章高精度温度测量系统 它的分辨率越高，量化误差越小。由于量化误差是a d 转换器的固有误差，不 可能消除，因此在使用时必须引起注意。为适应于高精度测